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智能高压开关柜监控保护单元的研究 　　【摘 要】要实现配电网电器智能化，就要首先实现在配电网中起着控制和保护等重要作用的高压开关柜的智能化。本次设计的主要任务是对10kV高压开关柜进行智能化研究，对其智能监控保护单元的硬件电路进行研究和设计，及软件部分提出参考设计方案。 　　【关键词】智能；高压开关柜；硬件电路 　　高压开关柜是配电网络中不可缺少的重要环节，随着变电站综合自动化程度和供电可靠性的日益提高，对高压开关柜性能的要求也愈来愈高。尤其是变（配）电所在逐步实现无人值班时，对高压开关及高压开关柜运行状态的监视提出了更高的要求。近年来，传感技术、微电子技术、计算机技术、数字处理技术、网络通信技术的蓬勃发展及其在各工业领域的成功应用，使智能高压开关柜的开发和应用成为可能。智能高压开关柜，即是在传统高压开关柜上配置智能型保护、控制和监测单元，具有自检，自控，自我诊断，自我恢复、数字显示、高压开关状态显示、对外双向数据通信等功能。 　　1. 智能高压开关柜监测保护单元的设计方案 　　（1）实现高压开关柜的智能化，关键在于智能高压开关柜监控保护单元的设计。智能监控保护单元不仅要实现高压开关柜在系统中各项监测控制保护功能的智能化，而且还要重点实现对高压开关柜本体的各项性能的在线监测控制保护。另外为了满足用户和变电站整个智能监控系统的需要设置了数据通信功能。 　　（2）智能监控保护单元主要由电源模块、CPU模块、光电隔离交流采样模块、光电隔离开关采样模块、控制模块组成。其核心部分是Intel公司生产的16位单片机80C196KB，系统时钟由专用的时钟芯片提供。网络接口采用RS-485组成的串行接口网络。硬件系统结构图如图1所示。 　　2. 智能监控保护单元硬件电路设计 　　（1）智能高压开关柜的智能监控保护单元的按结构功能可以分为输入模块、中央控制模块、开关量输出模块、通信模块、人机交互模块。这些模块在功能上和电路结构上都相对独立，以便针对智能高压开关柜的具体要求，进行灵活的配置。下面就按功能模块的划分为主线，进行智能监控保护单元的硬件设计。 　　（2）中央控制模块设计：根据需要，选择多CPU结构，即选用三主要CPU结构来设计中央控制模块。CPU选用美国Intel公司生产的MCS系列单片机80C196KB。此系列单片机特别适用于各类自控系统，如工业过程控制系统、伺服系统、分布式控制系统、变频调速电极控制系统等。还适用于一般的信号处理系统和高级智能仪器等要求实时处理、实时控制的系统中。MCS系列单片机属于CHMOS工艺的第二代产品，数据/地址线均为16位。CHMOS芯片耗电少，除正常工作外还可处于2种节电方式：待机方式和掉电方式，进一步减少芯片的功耗。80C196KB系列CPU具备的外围设备除了8X86已包括的一些设备（如时钟发生器、内部A/D转换器、高速输入/输出、PWM等）外，还集成了先进的外设事务服务器PTS和事件处理器阵列。PTS是一种微代码硬件处理器，可以代替CPU高速实现诸如启动A/D转换并读取结果、读取HSI的FIFO、装载HS0、串行口的发送和接受等中断服务，从而大大减少系统响应中断的开销。鉴于80C196KB系列单片机的上述优点，选用它来处理本系统的数据采集、键盘和液晶显示、微机保护、电网监控等重要功能，以提高系统的实时性。通信任务用AT89C51这种常见的单片机来完成就可以了，既不影响系统的可靠性，也节省了投资。所以，本系统采用多CPU结构，大大提高了系统的实时性和可靠性。多CPU结构框图如图2所示。 　　图2 多CPU结构框图（3）多CPU中央控制模块的工作原理：测量CPU正常情况下用于监控 （所要测量的模拟量包括电压、电流、频率、功率因数、母线温度、开关位置、有功功率、无功功率、电能等），并按一定的时间与保护CPU交换信息，以便监测保护CPU的工作状态是否正常；而保护CPU则正常情况下用于监测测量CPU是否正常工作外，一旦被控设备发生故障时，能够准确无误地对设备进行保护，只有当其中的一个CPU被监测到有错误后，才会立即代替其工作，同时通过通讯接口向远控主机发信号报错，从而完成对整个系统的监控与保护任务。测量CPU与保护CPU之间每隔一段时间通过双口RAM进行交换信息来判断对方状态是否正常。通信CPU主要用来完成向接受测量CPU的数据并传给上位机和接受上位机发的信息并把信息传递给保护CPU，完成通信任务。 　　3. 开关柜智能监控保护软件设计 　　3.1 模块化设计及任务调度分配。 　　（1）软件模块化设计对与智能高压开关柜的软件系统来说有诸多优点，要实现软件的模块化设计就不得不提软件的结构设计。软件的总体结构分为硬件驱动层、管理调度层、基础功能层和应用层。在智能高压开关柜的设计中，